38、什么是理论物理学家？他们都干些什么？
物理学家主要研究各种形式的能量，同时还研究能量与物质的相互作用。物理学家对于支配运动的各种定律是很感兴趣的，因为任何运动的物质都具有“动能”。他对热、声、光、电、磁以及放射性都会感到兴趣，因为这些都是能量的存在形式。到了二十世纪，连质量看来都明显地是能量的一种形式了。
物理学家还对能量从一种形式转变为另一种形式的方式，以及控制这类转化的规律感兴趣。
自然，物理学家可以有所侧重。如果有人对于能量和亚原子粒子的相互作用特别感兴趣，他就是一位“核物理学家”（原子核是原子中的主要结构）。如果他对恒星中能量和物质的相互作用感兴趣，他就是一位“天体物理学家”。
同样地，对化学反应中有关能量的问题特别感兴趣的人是“物理化学家”。而主要关心生命组织使用和产生能量的方式的人，则是“生物物理学家”。
有的物理学家会致力于在特定条件下进行精确的测量。或许，他打算测定在某些化学反应中所释放出来的热量的精确数量；或许，他打算度量某一种亚原子粒于在分裂成其他粒子、并释放出能量时的精确方式；或许，他打算知道大脑的微弱电势在某些药物作用下的精确变化。在这些工作中，他都可以称得上是位“实验物理学家”。
另一方面，一位物理学家也可能特别有兴趣去仔细钻研早已得到的测量结果，希望从中发现具有普遍意义的思想。或许，他能推导出某些数学关系式来，这些公式能够解释这些测量结果为什么是这样的，而且，如果他找出了这些关系，就能用它们来预言某些还没进行过的测量结果。而一旦进行了这些测量，其结果又和所预言的相一致的话，他很可能就发现了一条被称做“自然法则”的东西。
试图用这种方法来获得自然法则的物理学家，就是“理论物理学家”。
有一些物理学家对理论并不特别感兴趣。他们是极有天赋的实验物理学家。曾经发明了干涉仪、并精确地测量了光速的迈克耳孙就是这样的一位。也有人是对实验毫无兴趣的天才的理论物理学家，相对论的发现者爱因斯坦即属此例。（译注：爱因斯坦早年对实验是很感兴趣的）。
虽然实验物理学家把自己框在测量的圈子里，而理论物理学家又拘泥于数学论证，但这两种人对于科学都是极端宝贵的。不过，人们总还是希望找到一位既是第一流实验家、又是第一流理论家的人物。费米就是这种“双料”物理学家的突出代表（他还是一位杰出的教师，因此，他大概可以说是“三料”的人物了）。


39、时间是一种幻觉呢，还是确实存在的东西？怎么来描述时间呢？
首先要指出的一点是，时间是一种心理学方面的事物。这是对时间长度的感觉。你吃过了东西，而过了一会儿，你又感到饥饿了。现在是白天，而过了一会儿，就成了黑夜。
这种对时间长度的感觉是什么？究竟是什么东西使你意识到某件事情“过了一会儿”才发生？一般说来，这些问题属于思维机理的范畴，是有待今后解决的课题。
每个人都会意识到，他对时间长度的感觉随环境而变。干一天活，好象要比同好朋友在一起呆一天长得多，听一个小时枯燥的报告，似乎也比打一个钟头扑克显得长。这就是说，我们所提到的“一天”或“一小时”在某些场合下可能要比在其他场合下长一些。不过，这里面有一桩麻烦事：一段时间在某个人看来可能显得长些，在另一个人看来又会显得短些，而对于第三者来说，却既不长也不短。
要使时间观念对一群人都适用，就一定得找到一种普遍适用的、并不因人而异的衡量方法。如果有一些人商定在“六个星期后”准时会面，那么，靠每人自己觉得六个星期已过，然后来到会面地点，这是没有用的。大家必须全都同意在数过四十二个白天和黑夜后前来践约，而不管每个人心里的时间感到底如何。
当我们选择好某个客观的物理现象作为代替我们对时间的本能感觉的一种手段时，我们就有了一种可以称之为“时间”的东西。从这种意义上来说，我们一定不要试图把时间定义为某种东西，而只能把它定义为某种度量系统。
对时间的最早量度涉及到周期性的天文现象：正午（太阳升到最高处）的一再出现，标志着天数；新月的一再出现，标志着月数；春分节气（寒冷季节过后，太阳跨过赤道的一天）的一再重复，标志着年数。把一天划分为相等的小单位，就得到了小时、分和秒。
然而，在我们设法利用比正午的重复更为迅速的周期性运动之前，这些很小的时间单位是无法精确地测量出来的。等振幅摆和等摆游丝使得十六世纪出现了现代的时间量具。从那时起，对时间的量度才成为精确可信的。现在，对于更精确的时间，我们用原子的振动来量度。
我们怎样能保证这些周期性现象真的是“均匀的”呢？难道它们不会象人对时间的心理感觉那样也是不可靠的吗？
有可能。不过，我们可以用几种方法独立地测量时间，并把测量结果加以比较。如果某种方法有显著的不均匀因素，那么，在和其他方法进行比较时，这种不均匀性就会表现出来。如果所有的方法都不均匀，它们也很难是恰巧同样地不均匀。因此，如果各种测量结果十分相近——实际结果也正是如此。我们就只能得出结论说，我们所应用的各种周期性现象从根本上来说都是均匀的。不过不都是完全均匀的，比如，一天的长短就稍有变化。
物理学所量度的是“物理时间”。各种生物，包括人在内，都参加了周期性活动（如睡眠和清醒），而且，这些活动无需依赖外界的变化（如白天和黑夜）。不过，这种“生物时间”并不象物理时间那样严格。
此外，当然还存在着一种对时间长度的感觉，或者说“心理时间”。即使看着一只钟，干一天活仍然显得比同好朋友在一起呆一天要长得多。


40、时间的最小可能单位是什么？
１８００年刚过不久，就有人提出一种见解说，物质是以某种叫做“原子”的小单位存在着的。１９００年过后不久，人们又接受了能量是以某种叫做“量子”的小单位存在着的看法。那么，有没有别的什么常用的量也是以确定的小单位存在着呢？比如说，时间是不是这样呢？
有两种寻求“最小的可能单位”的方法。直接的方法是把某个要测量的量一直分下去。直到不能再分为止——把要测量的质量一直分下去，直到获得一个单个的原子为止；把要测量的能量分到获得一个单个量子为止。另一种是间接的方法，这就是去发现某种如果不假设有最小的可能单位存在就无法解释的现象。
在物质的场合下，大量的化学观察，包括“定比定律”和“倍比定律”的发现在内，使得原子理论的出现成为必然；在能量的场合下，黑体辐射和光电效应使得量子理论必定问世。
就时间而论，间接的方法是失败了的——至少在目前是如此。人们没有观察到什么非得用存在着时间的最小可能单位的假设来解释的现象。
用直接的方法行不行呢？我们能不能观测到越来越短的时间周期，直到某个不能再短的地步呢？
在发现了放射性之后，物理学家开始与极其短暂的时间间隔打起交道来了，有些原子有极短的半衰期。例如，钋２１２的半衰期不到百万分之一（１０＾（－６））秒，就是说，在地球以每秒约十二公里的速度绕着太阳走一厘米时，这种原子就会衰变掉。不过，尽管物理学家详细地研究了这一类过程，却没有发现时间不是以连续的方式，而是以“一下一下”的方式流逝的情况。
然而，我们还能继续往下走。有一些亚原子粒子能够在更为短暂得多的时间里发生变化。某些粒子在气泡室里以接近光速的速度行进，它们能在从出生到衰变的时间里形成三厘米长的径迹。这相当于一百亿分之一（１０＾（－１０））秒的寿命。
不过，这还不是我们最出色的成绩。在本世纪六十年代，人们又发现了寿命特别短的粒子。它们是如此地短命，即便以接近光速的速度行进，也留不下一条能够进行量度的径迹。它们存在的时间只能用间接的方法计算出来。已经查明，这些超短寿命的“共振态粒子’只能存在一千万亿亿分之一（１０＾（－２３））秒。
这样短的时间是无法想象的。共振态粒子的寿命与上百万分之一秒相比，正象一百万分之一秒与三千年相比一样。
不妨换个方式来想象这段时间。光在真空里的速度接近每秒钟３００，０００公里，这是已知的最大速度。在一个共振态粒子出生到消灭这段时间里，光能传播多远呢？答案是１０＾（－１３）厘米，即只有一个质子的直径那么长！
可是，我们仍然没有理由认为共振态粒子的寿命一定就是最小的时间单位，人们现在还看不出时间是否有个下限。


41、“第四维”是什么？
“维”这个字来源于拉丁文，意思是“完全地加以量度”。那么，现在就让我们做几次量度。
假如有一条线，你打算确定这条线上某一个固定点Ｘ的位置，使别人能够根据你的描述找到这个点。一开始，你在这条线上随便确定一个点，把它算作“零点”。这样，你就能够进行一番测量，发现Ｘ离开零点有两厘米远。如果Ｘ在零点的某一侧，不妨把这段距离叫做＋２，如果在另一侧，那就是－２。
这样，只要大家都同意这些“规定”——零点的位置，以及哪一侧为正，哪一侧为负——那么，只要用一个数，就能确定一个位置。
既然在确定一条线上的一个点时，只需要用一个数字，所以，这条线或这条线上的任意一段，就是“一维的”——“用一个数字就能完全加以量度的”。
再假定有一大张纸，现在打算确定这张纸上某个点Ｘ的位置。你也从零点开始测量，发现它在离零点５厘米远的地方。但是，它是在哪个方向上呢？可以把它分成两个方向：向北三厘米，向东四厘米。如果规定朝北为正，朝南为负；朝东为正，朝西为负，那么，你就能用两个数字来确定这个点了：＋３和＋４。
或许，你可以这样说：这个点离开零点有５厘米远，并且与东西方向成３６．８７°的夹角。这时还是需要两个数字：５和３６．８７°。无论你怎么干，总得有两个数字，才能在平面上确定一个点。因此，平面或平面的任意一部分都是二维的。
现在，假设有一个象房间内部那样的空间。一个固定点Ｘ可以这样确定：它在某个零点以北５厘米，以东２厘米，以上１５厘米。你也可以用一个长度数字和两个角度数字来确定这个位置。不过，无论用什么方法，都需要有三个数字，才能确定房间里（或者是宇宙里）一个点的位置。
因此，房间也好，宇宙也好，都是三维的。
假设有这样一种空间，要想确定其中的某个确定的点，必须用四个（或是五个，或者是十八个）数字才行，那么，它就是一个四维的（或五维的，或十八维的）空间。在我们这个普通的宇宙里，并不存在这样的空间，但是，数学家却能够想象出这种“超空间”，并且还能推断出这种空间里的数学图形会具有什么性质。他们甚至还研究出在任意维空间中的数学图形所具有的性质。这就是“ｎ维几何学”。
但是，如果我们所研究的不是固定的点，而是位置随时间而变化的点，又该怎么办呢？如果你打算确定的是在房间里飞着的一只蚊子，那么，就需要给出三个普通的数字：南－北、东－西、还有上－下。接着你还得给出第四个数字来表示时间。因为这只蚊子只在某个瞬间才会位于空间的某个位置，你必须把这个瞬间也判断出来。
宇宙间的任何事物都是如此。我们占有空间——它是三维的；此外，一定还要加上时间，才能得到一个四维的“时空”。不过，对时间和其他三个“空间维”不能同样看待，在某些关键的方程组中，三个空间维带有正号，而时间维则必须带有负号。
因此，我们一定不要说时间是第四个维，而只能说时间是某个第四维，而且它与其他三维不同

42、“弯曲空间”是什么意思？
现在再进一步设想一下，这位观察者根本看不见这颗行星，而只能看到这条船。当他研究这条船的运动路线时，他会惊讶地发现这条船走的是一条圆弧。它最后会回到自己的出发点，从而描绘出一个完整的圆周。
如果这条船改变路线，航道就会变得弯弯折折的，不再是个简单的圆周。但是，不管它怎么改道，无论它怎么行进，它的航线总是在一个球面上。
根据所有这些事实，这位观察者可能会推断出，这条船被束缚在一个看不见的球体的表面上，而束缚它的力正是指向球体中心的重力。要不，他就可能会认为，这条船被限制在一块特殊的空间里面。这块空间是弯曲的，而且弯曲成一个球形，从而迫使这条船走出这样的路线来。换句话说，我们必须在一个力和一种空间几何形态之间作出选择。
你大概会认为这是一种想象出来的局面，但实际上并非如此。地球这颗行星是沿着椭圆路线绕着太阳运行的，正象一条船在某个看不见的曲面上行驶一样。至于这条椭圆路线，我们是假设太阳和地球之间有一种引力来解释的，正是这种引力使地球保持在它的轨道上。
不过，我们也可以从空间几何形态来考虑问题。我们不是通过观察空间本身——空间是看不见的——而是通过考察物体在这种空间里的运动方式，来确定这种空间的几何形态。如果空间是“平坦的”，各种物体就会走直线从这个空间中通过，如果空间是“弯曲的”，各种物体就会走出弯曲的路线来。
一个具有确定质量和速度的物体，如果在离开其他质量都很远的地方运动，那么，它的路径真的可以说是一条直线。而当它走近另一个质量的时候，它的路径就会变得越来越弯曲，显然，是质量把空间弯曲了。质量越大，离质量越近，空间弯曲的曲率就越大。
把万有引力看作是一个力，看来要比用空间几何形态去解释它方便得多，也自然得多。但是，如果在考虑光的行进时，情形就会颠倒过来。按照比较旧的观点，光是不受重力影响的，因为它没有质量。然而，当光在弯曲空间里穿过时，它的路径也会弯曲起来。把光的速度考虑进来，它在太阳这个巨大质量的附近经过时路径的弯曲就能计算出来了。
１９１９年，爱因斯坦的这一理论（发表于三年之前）在一次日蚀期间受到了检验，人们把太阳位于空间某处时靠近太阳的某些恒星的位置，与太阳不在此处时这些恒星的位置进行了比较。结果，爱因斯坦的理论站住脚了。用弯曲空间来讨论万有引力，看来要比用力学术语更为精确。
不过，我们还应该提一下，１９６７年，人们对太阳的形状所进行的精密测量，发现爱因斯坦的引力理论出了问题，今后将会发生些什么情况？还得等着瞧。

43、许多科学幻想小说里都提到“力场”和“超空间”，这都是一些什么东西？它们真的存在吗？
每一种亚原子粒子都会产生下列四种不同作用中的一种或几种。这四种作用是：引力作用、电磁作用、弱相互作用和强相互作用。每一种作用都从它的发源处散播出来，成为一种“场”，而且在理论上是弥散在整个宇宙之中的。大量粒子所产生的同一种场可以叠加起来，产生极其强大的合成场。因此，尽管引力场是这四种场里最弱的一种，太阳——由大量粒子构成的物体——的引力场却是很强大的。
位于这样一种场中的两个粒子将被场所推动，或者互相靠近，或者互相离开，这要看粒子与场的本性是怎样的，粒子的加速度则取决于这两个粒子之间的距离。这种加速度往往又被解释成是“力”所引起的，所以我们就要谈到“力场”。从这种意义上说，场的确是存在的。
不过，我们所知道的力场总是有物质作为它们的起源；一旦物质没有了，力场也不复存在了。但在科学幻想小说中，总有某些无需物质存在的强大力场被想象了出来。因此就会出现那么一段真空，它对粒子和辐射能起到阻拦作用，正好象这段真空竟是一块两米厚的钢块一样。真空里会出现各种原子间的作用力，但却根本不存在产生这些力的原子。这种“无物质力场”作为一种科学幻想的手法倒是颇为方便的，但是，老天在上，根据我们今天所掌握的科学知识来看，这种手段是太缺乏依据了。
“超空间”是科学幻想作品中的又一个挺方便的手法，这是作者用来绕过光速这个障碍的。
为了弄清楚这是怎么一回事，设想有平摊开来的很大的一张纸，纸上面有相距六米的两个点，再设想有一只行动极缓慢的蜗牛，它一小时只能走一米，显然，它要用六个小时才能从一个点走到另一个点。
不过，如果我们把这个两维的纸片在第三个维上弯曲一下，就会使这两个点靠近起来。如果这时这两个点只相隔一毫米，而且不知怎么一来，那只蜗牛也能跨越过这两个点之间的空间，那么，只消几秒钟，它就能从一个点到达另一个点了。
现在可以来类比一下：如果有两颗恒星彼此相距五十光年。那么，一艘飞船以最大的速度——光速——飞行，从一颗恒星飞到另一颗恒星，也得花五十年的时间（从这两颗恒星中的任意一颗上来看），这会产生许多麻烦事来。因此，科学幻想小说家想出一个使情节简化的法子：他们假设具有三维结构的空间能够在第四个空间维上弯一下，这一来，两个恒星间就只有一个很小的四维距离了，于是，飞船就会越过这个小间隙，只用很短的一点时间，就从一颗恒星跑到了另一颗恒星。
数学家经常说起与３维物体类似的四维物体，只是在前面加了一个“超”字。一个表面距中心在四维上等远的物体叫做“超球”。同样，还有所谓“超正四面体”、“超立方体”和“超椭球”。使用这套表达方法，我们就能把两颗恒星间的四维距离叫做“超空间”。
不过，无论这种超空间对科学幻想小说家是多么方便，据我们所知，科学现实中并不存在这个东西，它只是一种数学上的抽象而已。

44、什么是“反引力”？怎样才能研究它？
强度随距离平方而减小的场有两种：电磁场和引力场。这种减小是比较缓慢的，因此，即使在很远的地方，也能发现这两种场的存在。地球离开太阳有一亿五千万公里远，但仍被太阳的引力场紧紧地抓住不放。
但是，在这两种场当中，引力场又比电磁场弱得多。一个电子所产生的电磁场要比它所产生的引力场大约强四百亿亿亿亿亿倍。
当然，引力场似乎是挺强大的，每一次我们从高处跌落下来时，都会痛苦地体验到这一点。但这只是地球太大了的缘故。地球的每个小块都对引力场有所贡献，结果，总的引力场就变得很可观了。
然而，如果我们拿出一亿个电子（这个数量是太微不足道了，如果把它们集中到一点上，那么，即使用显微镜也无法看到它们），并让它们散布在地球那么大的空间里。这时，这些电子所产生的电磁场，就会和整个巨大的地球所建立的引力场一样强大。
为什么我们对电磁场的感觉不象对引力场那样明显呢？
这是由于它们有一点不同的缘故，电荷有两种，分别叫做正电荷与负电荷，因此，电磁场既可产生吸引作用（在正电荷与负电荷之间），也可产生排斥作用（在两个正电荷或两个负电荷之间）。事实上，如果在象地球那么大的体积内除了一亿个电子之外别无他物的话，这些电子就会互相排斥，远远地散布开来。
由于电磁吸引力和排斥力的作用，会使正电荷与负电荷均匀地混和起来，这样，两种电荷的效应就趋于互相抵消。至于电荷数目的极其微小的差别，则是有可能存在的。我们所研究的正是这种多了一点或少了一点某种电荷时的电磁场。
然而，引力场看来仅仅产生吸引力。每一种具有质量的物体都会吸引其他具有质量的物体，而当质量增加时，引力场也会增大，它们是不会抵消的。
如果某个具有质量的物体，能够排斥另一个具有质量的物体——其强度和排斥方式正好与一般情况下它们互相吸引时一样，那么，我们就得到了“反引力”，或叫“负引力”。
人们还从未发现这种引力排斥作用。不过，这很可能是由于我们所能研究的一切物体都是由普通的物质微粒构成的缘故。
世界上存在着一类“反粒子”，它们在各方面都与普通的粒子相同，只是它们所产生的电磁场恰好同普通粒子相反。例如，如果某一种粒子具有负电荷：相应的反粒子就会有正电荷。也许，反粒子也会具有相反的引力场。两个反粒子会象两个普通粒子一样地以引力互相吸引，但是，一个反粒子却会排斥一个普通粒子。
麻烦的是，引力场是太微弱了，只有在相当大的质量下，才能发现引力场，而单个粒子或反粒子的引力场，则是无法发现的。我们能够得到普通粒子构成的大质量，但是，迄今仍未能把足够多的反粒子搜罗到一起。而且，时至今日，也没有哪个人能够提出一种能够发现反引力效应的切实可行的办法来。

45、什么是引力的速度？
关于这个问题，有另外一个比较长，然而也比较明白的提法。这就是：假若太阳突然不复存在，并且消失得无影无踪的话，地球要在多久以后才不再受到太阳引力场的吸引呢？
还可以提出一个类似的问题：当太阳消失以后，地球什么时候才不复得到它的光？
对于第二个问题，答案是大家熟知的。我们都知道，太阳离开地球有一亿五千万公里。我们还知道，光在真空中以每秒３００，０００公里的速度传播。太阳消失前的最后一束光线在离开太阳后，要用８．３分钟的时间才到达地球。换句话说，我们将在太阳消失８．３分钟后才会知道这件事。
这第二个问题之所以容易回答，是因为我们有好多种测量光速的方法。由于人们能够察觉自遥远星体射来的微弱光线的变化，也由于人们自己能发射出强大的光束，这些测量方法就成了切实可行的事情。
在与引力场打交道时，我们就没有这些有利条件了。研究微弱的引力场的微小变化是十分困难的，而且，我们也无法在地球上产生强大的引力作用，让它们传播很远的距离。
因此，我们只好局限于理论上进行探讨了。目前，已知宇宙间有四种相互作用：（１）强相互作用；（２）弱相互作用；（３）电磁相互作用；（４）引力相互作用。前两种是短程作用，随距离的增大而迅速减小，到了超过原子核直径的地方，它们已经微弱得可以忽略不计了。电磁作用和万有引力作用是远程的，它们反比于距离的平方而减弱。这就是说，即使是在天文距离上，也能感觉到这两种作用。
物理学家相信，两个物体间的任何一种相互作用都是通过交换亚原子粒子来实现的。所交换的粒子质量越大，相应的作用范围就越小。例如，强相互作用是由于交换质量比电子大２７０倍的π介子而产生的，弱相互作用是由于交换质量更大的Ｗ粒子而产生的（顺便说一下，这个粒子还未被发现）。
如果所交换的粒子根本就没有质量，那么，相应的作用范围就是无限大的，这正是电磁相互作用的情况。这时所交换的粒子是没有质量的光子。这样一束没有质量的光子就是一束光线，或一束辐射。引力相互作用也像电磁作用一样是远程的，因此，它也应该交换一种没有质量的粒子——人们称之为“引力子”。
而且，物理学家有十分充足的理由假设，在真空中，没有质量的粒子只能以光速运动。这就是说，速度约为每秒３００，０００公里，既不能大，也不会小。
如果是这样的话，引力子就是以光子的速度前进的。这就意味着，如果太阳消失的话，它所放出的最后的引力子将与最后的光子同时抵达地球。在我们最后看见太阳的一瞬间，也同时失掉了它的吸引力。
换句话说，引力是以光速传播的。

46、“统 一 场 论” 是 什 么？
在十九世纪中期，人们就已经知道了四种能越过真空发生作用的现象。它们是：（１）引力；（２）光；（３）电吸引和电排斥；（４）磁吸引和磁排斥。
乍一看来，这四种现象彼此之间似乎根本无关，似乎没有什么必然联系。然而，在１８６４年到１８７３年这段期间内，苏格兰理论物理学家麦克斯韦从数学角度分析了电与磁的现象。他发现自己得出了一些带有根本性的关系式——麦克斯韦方程组，它们既可以用来描述电现象，又可以用来描述磁现象，这证明两者是互相关联的。只要发生某种电现象，就必不可免地要发生某种确定的磁现象，反过来也是这样。换句话说，我们可以提出一种叫做“电磁场”的提法。这种电磁场存在于真空中，并在接触到空间中的一个物体时，就按照它自己在接触点上的场强来影响这个物体。
不仅如此，麦克斯韦还证明，如果设法使电磁场以规则的方式发生振动，它就会从这个振动中心向各个方向送出一种辐射，辐射的速度等于光的速度。光本身就是这样的一种“电磁辐射”。麦克斯韦还预言存在着其他形式的光，不过它们的波长分别要比普通光长得多或短得多。二十多年以后，这两种光都被人们发现了。现在我们总是说整个“电磁波谱”。
因此，本节开始时所提到的四种现象中，有三种（电、磁、光）已经结合成为一种场了。但还有引力场没有被考虑到。这样，我们就还有：（１）电磁场；（２）引力场。它们看起来似乎是两种无关的场。
然而，物理学家认为，如果只存在一种场（这就是“统一场”），事情就会简单得多，因此，他们一直在寻找一种既能描述电磁效应，又能描述引力效应的理论，以便能够用一种场的存在去描述另一种场存在的本性。
不过，现在看来，即使发现了这种能把电磁效应和引力效应结合起来考虑的方程组、我们也还是没有找到真正的统一场：自１９３５年以来，又发现了两种新的场。这两种场都只对亚原子粒子才有影响，而且只在不大于原子核直径的距离内才起作用，它们就是“强相互作用”和“弱相互作用”。
真正的统一场论必须能把已知的这四种场都解释清楚才行。

47、简单扼要地讲，爱因斯坦的相对论是怎么一回事？
牛顿在１７世纪８０年代首次总结出了物体的运动定律。根据这些定律，不同的运动可以按照简单的算术法则相加起来。假设有一列火车以每小时２０公里的速度从你身边驶过，而车上又有个孩子以每小时２０公里的速度向列车行进方向抛掷一只小球。在和列车一起前进的这个孩子看来，小球的速度是每小时２０公里。而在你看来，火车的运动要和小球的运动加在一起，结果，小球就以每小时４０公里的速度运动了。
所以，你能够看出，不能单单就小球来确定它的速度。速度是相对于某个特定观察者而言的。任何一种试图解释速度（及有关的其它现象）在不同观察者看来的变化情况的运动理论，都是一种“相对论”。
爱因斯坦的与众不同的相对论源于这样一件事实：在火车上扔小球的这种做法，似乎对于光就不再适用了。光是能够顺着或逆着地球的运动方向运动的。在前一种情况下，它似乎会传播得比后一种情况下快。这正象飞机在顺风飞行时相对于地面的速度要比逆风飞行时高一些一样。然而，对光速所进行的最精密的测量表明，无论发光的光源如何运动，光速永远是不变的。
因此，爱因斯坦宣称：假设光在真空里的速度已经测得，那么，它将永远保持这个速度不变（每秒３０万公里），在任何情况下都是如此。对于这一设想，宇宙间的各种定律相应地又该怎样安排呢？
爱因斯坦发现，为了保证光速是一个恒量，人们必须接受许许多多出乎意料的事情。
他发现，随着物体运动速度的增加，物体在运动方向上会变得越来越短，直到在达到光速时，长度变到零为止；与此同时，物体的质量会变得越来越大，在达到光速时，质量会变为无穷大。他还发现，当物体的运动速度越来越小时，在运动物体上时间流逝的速度也会不断减小，而在达到光速时，时间就会完全停止。他又发现，质量等价于一定的能量，能量也等价于一定的质量，等等。
他把上述对匀速运动物体的所有规律归纳起来，并于１９０５年以“狭义相对论”的名称予以发表。１９１５年，他又在讨论变速运动物体的规律方面得出了更为深奥的结果，同时还对引力作用进行了一番新的表述。这些成果被称为“广义相对论”。
只有当物体有很大的运动速度时，爱因斯坦所预言的某些变化才能被人们所察觉。亚原子粒子就有这样的速度。人们对亚原子粒子进行观测，发现爱因斯坦的预言是正确的，而且还是十分正确的。老实说，如果爱因斯坦的相对论是错误的，我们那些轰击原子的装置就无法运转，原子弹也不会爆炸，某些天文观测也无法进行了。
不过，在通常的速度下，爱因斯坦所预言的各种效应都是极小的，因此可以被忽略掉。这时，牛顿定律的简单的算术加法就起作用了。由于在我们所处的环境中，牛顿定律总是适用的，因此，它们被我们看作是一种“常识”。而爱因斯坦的定律却被看成“不可思议的”。

48、为什么物质的行进速度不能快于光速？(1)
施加给一个物体的能量可以通过多种途径对这个物体产生作用。如果，铁锤敲在悬空的钉子上，钉子就会得到动能，也就是得到运动的能量，而向外飞去。如果铁锤敲在嵌入硬木里的钉子上，那么，钉子就不会运动，这时，它仍然会得到能量，但这个能量表现为热的形式。
阿尔伯特·爱因斯坦在他的相对论中指出，质量可以看作是能量的一种形式（原子弹的发明已经确凿地证明他这种说法是正确的）。这样一来，如果对一个物体施加能量，那么，这个能量不但可以通过其他形式表现出来，也可以表现为质量的形式。
在一般条件下，物体所获得的表现为质量的能量实在微乎其微。因此，过去从来没有人能够把这样小的质量测量出来。直到二十世纪，当人们观察到亚原子粒子以每秒数万公里的速度运动时，才找到了质量的增加大到能够探测出的事例。一个以每秒约２５６，０００公里速度相对于我们而运动的物体，当我们对它进行测量时，它的质量将是它相对于我们静止不动时的质量的两倍。
如果对任何一个正在自由运动的物体施加能量，那么能量可以通过下列两种途径之一进入物体内部：（１）所施加的能量表现为速度，结果，物体的运动速度就增大了；（２）所施加的能量表现为质量，结果，物体就变得“重一些”。当我们对这个物体进行测量时，它所得到的这两种能量形式之间的区别，决定于我们所测量到的这个物体的起始运动速度。
要是这个物体以一般速度运动，那么，所施加的能量实际上会全部以速度的形式进入物体内部，这时，它会运动得越来越快，而它的质量几乎丝毫不变。
随着运动物体速度的增大（也就是随着我们所想象的附加能量不断地施加到物体中去）；以速度的形式进入物体内部的能量将越来越少，而以质量的形式进入物体内部的能量则不断增加。我们会发现，尽管这个物体仍然在不断加快它的运动，但是，它的速度提高率却一直在降低，此外，我们还会发现，这个物体变重的速率正在渐渐增大。
当物体的速度继续不断增大，并且非常接近于光在真空中的速度即每秒约３００，０００公里时，所施加的能量几乎全部以质量的形式进入物体内部。换句话说，物体的运动速度现在增长得非常慢，但是，它的质量却极快地向上增长。到它达到光速的时候，所施加的能量就全部表现为增加的质量。
物体运动速度之所以不能超过光速，是因为当我们要它超过光速时，就得不断对它施加能量，而在它达到光速时，不管给它的能量有多大，都会统统转变成增加的质量，因此，物体的速度就丝毫也不会增大了。
其实，这种“恰好达到光速的理论”也是不成立的。多年以来，科学家一直非常细致地对被加速的亚原子粒子进行观察。宇宙线粒子所含的能量高到无法想象，但是，尽管它们的质量确实升高了，它们的速度却从来没有达到光在真空中的速度。已经查明，亚原子粒子的质量和速度正好同相对论所预言的一样，因此，光速是最大速度这一点，已经是一个观察到的事实，而不仅仅是一种推测。

50、光是由运动得比光更快的粒子发出的。那么，既然没有任何东西能运动得比光更快，又怎么可能有光呢？
我们常常说，粒子不能够运动得“比光快”，“光速”是速度的上限。
实际上，如果我们单单这样说，那是说得不够完全的，因为光在通过不同媒质时，它的传播速度并不相同，光在真空中的行进速度最快。在这种场合下，它以每秒３００，０００公里的速度运动。这个速度就是终极速度。
因此，如果想把话说得确切一些。我们就应该这样说：粒子的运动速度不能够“快于真空中的光速”。
光在通过真空以外的任何其他透明媒质时，它的传播速度总是小于真空中的光速，有时甚至要慢很多。光在某一特定的媒质中行进得越慢，当它从真空中以倾斜的角度进入这种媒质时，它受到偏折（折射）的角度就越大。偏折的大小是由一个称为“折射率”的物理量决定的。
把真空中的光速除以某一特定媒质的折射率，就得出光在这种媒质中的速度。在一般的压力和温度下，空气的折射率约为１．０００３，所以光在空气中的速度等于３００，０００除以１．０００３，即每秒约２９９，９１０公里。这比真空中的光速小９０公里／秒。
水的折射率是１．３３，普通玻璃的折射率是１．７，而钻石的折射率是２．４２。这就是说，光在水中的传播速度为每秒约２２４，０００公里，在玻璃中为每秒约１７６，０００公里，在钻石中只有每秒约１２３，２００公里。
粒子的运动速度不能快于每秒约３００，０００公里，但是，即使在水中，它们也确实能够以每秒约２５６，０００公里的速度运动。当它们的速度这样大时，它们在水中的行进速度就超过水中的光速了。事实上，除了在真空中以外，粒子在任何一种媒质中的运动速度都有可能超过那种媒质中的光速。
在非真空媒质中运动得比光快的粒子，会发出一种蓝光作为它的尾迹。这种尾迹的角度大小，取决于这个粒子在媒质中的速度比光在同一媒质中的速度快多少。
最先观察到比光快的粒子所发射出的这种蓝光的，是一个名叫巴维尔·切伦科夫的俄国物理学家，他在１９３４年报道了这件事。因此，这种光就被称为“切伦科夫辐射”。１９３７年，另外两个俄国物理学家——伊利亚·弗兰克和伊戈尔·塔姆——把这种光同粒子和光在那种媒质中的相对速度联系起来，从而解释了为什么会有这种光。结果，这三个人获得了１９５８年的诺贝尔物理学奖。
人们已经设计出一种特殊的仪器——切伦科夫计数器，用来探测这种辐射，并测定它的强度和发射方向。
切伦科夫计数器特别有用，因为它只对速度非常高的粒子才起作用，并且很容易根据这种光的发射角度估计出这些粒子的速度。能量极高的宇宙线的运动速度已经非常接近真空中的光速，因此，它们就是在空气中也会产生切伦科夫辐射。
快子——这是人们所假设的一种只能以超过真空中光速的速度运动的粒子——即使在真空中也应该会留下一道非常短暂的闪光。因此，物理学家希望能依靠探测这种切伦科夫辐射，来证明快子是确实存在的（如果它真的存在的话）。

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